题目：芯片常用协议种类详解，含多协议转换器

1. 引言

1.1常用通信样式

1.2 FPGA芯片上的UART也是一样的

1.3 FPGA用verilog实现UART

1.4基于FPGA的SPI协议实现

1.5通过FPGA来做多协议转化

Pan德

十年专注FPGA硬件工程师

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引言

为什么需要通信协议，通信协议就像一个人的语言，如果没有语言信息传达，芯片之间就像哑巴一样，不知所云。通讯的二进制信息里主要包含：时间CL,地址，数据，还有一个速率。

1.1常用通信样式

无非就以下两种，要么串行，要么并行

一种是需要时钟（同步通信）一种是不需要时钟（异步通信）

1.传输速率 2.数据长度 3. 开始和停止

1.1.1常用I2C

理论上最高可控制127个地址设备

I2C(Inter－Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在各类电子产品中有着广泛的应用。 I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。

由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10Kbps的最大传输速率支持40个组件。(根据I2C的总线长度的不同和所挂组件的多少，这个传输速率是不同的，理论最大的传输速率是400Kbps)

100Kbps 用10K电阻， 400Kbps用2K电阻

I2C总线的另一个优点是，它支持多主控(multimastering)，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。

集成I2C的芯片

I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率400kbps。各种被控制电路均并联在这条总线上，任何时候时钟信号都是由主控器件产生。

I2C总线在传送数据的过程中，主要有三种控制信号：起始信号，结束信号，应答信号

起始信号：当SCL为高电平时，SDA由高电平转为低电平时，开始传送数据

结束信号：当SCL为高电平时，SDA由低电平转为高电平时，结束数据传送

应答信号：接收数据的器件在接收到数据后，向发送数据的器件发出低电平信号，表示已收到数据。这个信号可以是主控器件发出，也可以是从动器件发出。总之由接收数据的器件发出。

这些信号中，起始信号是必需的，结束信号和应答信号，都可以不要。

I2C总线操作

I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电

平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。

1.1.2常用SPI

是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

（1）SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入（也叫MOSI）

（2）SDI– 主设备数据输入，从设备数据输出（也叫MISO）

（3）SCLK– 时钟信号，由主设备产生

（4）CS – 从设备使能信号，由主设备控制（也叫SS

SPI是英文Serial Peripheral Interface的缩写，中文意思是串行外围设备接口，SPI是Motorola公司推出的一种同步串行通讯方式，是一种三线同步总线，因其硬件功能很强，与SPI有关的软件就相当简单，使CPU有更多的时间处理其他事务。

SPI概述SPI：高速同步串行口。3～4线接口，收发独立、可同步进行.

SPI，是英语Serial Peripheral interface的缩写，顾名思义就是串行外围设备接口。SPI接口主要应用在 EEPROM，FLASH，实时时钟，AD转换器，还有数字信号处理器和数字信号解码器之间。SPI是一种高速的，全双工，同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。现在越来越多的芯片集成了这种通信协议。

SPI总线系统是一种同步串行外设接口，它可以使MCU与各种外围设备以串行方式进行通信以交换信息。外围设置FLASHRAM、网络控制器、LCD显示驱动器、A/D转换器和MCU等。SPI总线系统可直接与各个厂家生产的多种标准外围器件直接接口，该接口一般使用4条线：

SPI的通信原理很简单，它以主从方式工作，这种模式通常有一个主设备和一个或多个从设备，需要至少4根线，事实上3根也可以（单向传输时）。也是所有基于SPI的设备共有的，它们是SDI（数据输入），SDO（数据输出），SCK（时钟），CS（片选）。

（1）SDO – 主设备数据输出，从设备数据输入（也叫MOSI）

（2）SDI– 主设备数据输入，从设备数据输出（也叫MISO）

（3）SCLK– 时钟信号，由主设备产生

（4）CS – 从设备使能信号，由主设备控制（也叫SS）

其中CS是控制芯片是否被选中的，也就是说只有片选信号为预先规定的使能信号时（高电位或低电位），对此芯片的操作才有效。这就允许在同一总线上连接多个SPI设备成为可能。

接下来就负责通讯的3根线了。通讯是通过数据交换完成的，SPI是串行通讯协议，也就是说数据是一位一位的传输的。这就是SCK时钟线存在的原因，由SCK提供时钟脉冲，SDI，SDO则基于此脉冲完成数据传输。数据输出通过 SDO线，数据在时钟上升沿或下降沿时改变，在紧接着的下降沿或上升沿被读取。完成一位数据传输，输入也使用同样原理。这样，在至少8次时钟信号的改变（上沿和下沿为一次），就可以完成8位数据的传输。

要注意的是，SCK信号线只由主设备控制，从设备不能控制信号线。同样，在一个基于SPI的设备中，至少有一个主控设备。这样传输的特点：这样的传输方式有一个优点，与普通的串行通讯不同，普通的串行通讯一次连续传送至少8位数据，而SPI允许数据一位一位的传送，甚至允许暂停，因为SCK时钟线由主控设备控制，当没有时钟跳变时，从设备不采集或传送数据。也就是说，主设备通过对SCK时钟线的控制可以完成对通讯的控制。SPI还是一个数据交换协议：因为SPI的数据输入和输出线独立，所以允许同时完成数据的输入和输出。不同的SPI设备的实现方式不尽相同，主要是数据改变和采集的时间不同，在时钟信号上沿或下沿采集有不同定义，具体请参考相关器件的文档。

性能对比，SPI传输距离短，比I2C快，因为线多，并行功能多。SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据

SPI

在点对点的通信中，SPI接口不需要进行寻址操作，且为全双工通信，显得简单高效。在多个从设备的系统中，每个从设备需要独立的使能信号，硬件上比I2C系统要稍微复杂一些。

最后，SPI接口的一个缺点：没有指定的流控制，没有应答机制确认是否接收到数据。

1.1.3常用UART

(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)

一根线来通信

通用异步收发器

UART是用于控制计算机与串行设备的芯片。它提供了RS-232C数据终端设备接口，这样计算机就可以和调制解调器或其它使用RS-232C接口的串行设备通信了。

UART主要有由数据总线接口、控制逻辑、波特率发生器、发送部分和接收部分等组成。---功能包括微处理器接口，发送缓冲器（tbr）、发送移位寄存器（tsr）、帧产生、奇偶校验、并转串、数据接收缓冲器（rbr）、接收移位寄存器（rsr）、帧产生、奇偶校验、串转并。

UART协议是实现设备之间低速数据通信的标准协议。因发送时不需同时发送时钟，故此协议为异步

1.1.4 STM32上的串口解析

1.2 FPGA上的UART协议

1、概述

UART：通用异步收发传输器（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)，通常称作UART。UART端口有4个pin（VCC, GND, RX, TX）, 用的TTL电平, 低电平为0(0V)，高电平为1（3.3V或以上）。

UART是一种通用串行数据总线，用于异步通信。该总线双向通信，可以实现全双工传输和接收。在单片机中UART可以说是一种最基本的配置，很多与电脑进行通信的设备都采用到它。

RX - 数据接受接口

两个设备间将TX与RX相连，RX与TX相连即可正常工作。最常用到的就是我们电脑上的USB那就是个最典型的UART接口。

UART使用标准的TTL/CMOS逻辑电平（0~5v、0~3.3v、0~2.5v或0~1.8v）来表示数据，高电平表示1，低电平表示0。为了增强数据的抗干扰能力、提高传输长度，通常将TTL/CMOD逻辑电平转换为RS-232逻辑电平，3~12v表示0，-3~-12v表示1

TxD、RxD数据线以位为最小单位传输数据，而帧由具有完整意义的、不可分割的若干位组成，它包含开始位、数据位、校验位（需要的话）和停止位。发送数据之前，UART之间要约定好数据的传输速率（即每位所占据的时间，其倒数称为波特率）、数据的传输格式（即有多少个数据位、是否使用校验位、是奇校验还是偶校验、有多少个停止位）。

数据传输流程如下：

（1）空闲状态：平时数据线处于空闲状态（1状态）

（2）发送起始位：当要发送数据时，UART改变TxD数据线的状态（变为0状态）并维持1位的时间。

这样接收方检测到开始位后，在等待1.5位的时间就开始一位一位地检测数据线的状态得到所传输的数据。

（3）发送信息位：UART一帧中可以有5、6、7或8位的数据，发送方一位一位地改变数据线的状态将他们发送出去，首先发送最低位。

（4）奇偶校验位：如果使用校验功能，UART在发送完数据后，还要发送1位校验位。有两种校验方法：奇校验、偶校验——数据位连同校验位中，1的数据等于奇数或偶数。

（5）停止位：最后，发送停止位，数据线恢复到空闲状态（1状态）。停止位的长度有3种：1位、1.5位、2位。

2、基于FPGA的UART串口设计实践

2.1需求分析

sys_clk位25MHZ，波特率=9600，起始位=1，信息位=8，无奇偶校验位，停止位=1。

波特率=9600，则一个信息位持续时间是1/9600s。即在25MHZ时钟下，需要计数2604个时钟周期。

采用一个计数范围[0:2603]的计数器，当器计数到1301的时候，开始采样Rxd_r上的数据。

rxd_r是rxd信号，经过clk25MHZ打三拍产生，作为数据rxd跨时钟域的处理。

架构如下：

tx_ready：高电平，表示UART空闲，可以接收tx_data[7:0]的数据。

下图是UART接收数据的时序示意图。

UART接收RxD数据

UART发送数据的时序图，与上图类似，不

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1.3基于FPGA用verilog实现UART

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